濕地植物作為低C/N比生活污水反硝化碳源的研究*

孫金昭 李明杰，2 林恒兆 盧星星 成 功 謝 冰#

(1.華東師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海 200241；2.上海城投水務(wù)(集團(tuán))有限公司，上海200002；3.深圳市環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 深圳 518100)

污水中C/N比是影響異養(yǎng)反硝化生物脫氮過程的一個重要因素。脫氮系統(tǒng)中，C/N比在2.86(質(zhì)量比)以上方能滿足反硝化細(xì)菌對碳源的需求[1]。對于低C/N比生活污水，由于污水中COD、BOD濃度較低，導(dǎo)致污水反硝化碳源不足，生物反硝化脫氮較難實(shí)現(xiàn)。添加甲醇等有機(jī)物作為反硝化碳源將增加運(yùn)行成本，且在運(yùn)輸儲存等過程中易發(fā)生安全隱患[2]。為此，選用纖維素類植物材料作為反硝化碳源受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究[3]776-778,[4-5]。金贊芳等[6]將棉花作為地下水中硝酸鹽的反硝化碳源，硝酸鹽去除率達(dá)到100%，出水中未檢出亞硝酸鹽；熊劍鋒等[7]利用梧桐樹葉浸出液作為碳源進(jìn)行反硝化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)浸出液中有機(jī)酸成分主要是延胡索酸、檸檬酸、草酸和蘋果酸等，以此作為反硝化碳源時，平均硝酸鹽去除速率為2.19 mg/h；OVEZ等[8]利用竹葉焦、光果甘草大型植物作為反硝化碳源，兩種植物作為反硝化碳源的硝態(tài)氮去除速率分別為4.23、6.96 mg/(L·d)。此類纖維素固體碳源取材方便，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，具有廣泛的應(yīng)用前景。

濕地植物是濕地系統(tǒng)的一個重要組成部分，在濕地系統(tǒng)去污機(jī)制中發(fā)揮了重要作用。但濕地植物收割后的處理處置成為濕地管理中一個不容忽視的問題[9]，處置不當(dāng)易造成二次污染。本研究利用濕地植物浸出液中的有機(jī)物質(zhì)，探討其作為低C/N比生活污水反硝化碳源的可行性，從而節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，減少二次污染，為濕地植物的資源化處置提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 濕地植物的預(yù)處理

選取人工濕地中5種較為常見的濕地植物(風(fēng)車草、香根草、再力花、蘆荻、美人蕉)作為反硝化碳源。濕地植物取回后，洗凈表面附著的泥沙，除掉葉片，取莖稈部分作為研究材料。將莖稈部分切成1 cm×1 cm的小方塊，放在烘箱中60 ℃烘干至恒質(zhì)量，以備后續(xù)實(shí)驗(yàn)使用。

1.2 靜態(tài)碳源釋放實(shí)驗(yàn)

分別稱取5 g經(jīng)預(yù)處理后的植物莖稈，用尼龍紗布包裹后置于同等型號帶封口的1 000 mL玻璃瓶中，加入1 000 mL去離子水，放入搖床中振蕩6 d，測定植物莖稈浸出液的COD、TN、TP濃度。

1.3 靜態(tài)反硝化脫氮實(shí)驗(yàn)

人工配置硝酸鹽溶液，溶液中硝態(tài)氮質(zhì)量濃度為25 mg/L，將硝酸鹽溶液與污水處理廠采集的活性污泥按照1∶4的體積比進(jìn)行混合，取1 000 mL混合液加入5 g經(jīng)預(yù)處理的植物莖稈，連續(xù)充入氮?dú)獗３謪捬醐h(huán)境，調(diào)節(jié)pH，放入搖床中，定時取樣測定COD、硝態(tài)氮的濃度變化。

1.4 反硝化脫氮中試實(shí)驗(yàn)

低C/N比生活污水的反硝化脫氮中試實(shí)驗(yàn)采用A/O工藝，實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。調(diào)節(jié)池、水解酸化池及曝氣生物濾池均為有機(jī)玻璃制成，管道采用穿孔聚氯乙烯(PVC)水管。水解酸化池(50 cm×50 cm×20 cm)內(nèi)懸掛彈性填料，曝氣生物濾池(50 cm×50 cm×50 cm)內(nèi)的填料為自主研發(fā)的陶粒填料，陶粒填料性質(zhì)參數(shù)見表1。

反硝化脫氮中試實(shí)驗(yàn)采用活性污泥法接種掛膜，接種污泥取自污水處理廠壓濾過后的污泥。將一定接種污泥分別加入到水解酸化池與曝氣生物濾池進(jìn)行悶曝，接種污泥投加量約為兩池體積的10%，悶曝過程中控制曝氣生物濾池DO質(zhì)量濃度在2.5～3.0 mg/L，悶曝3 d后靜沉排出上清液。將高濃度植物莖稈浸出液(COD=(2 148.0±30.9) mg/L)作為碳源，與低C/N比生活污水(COD=(12.2±0.7) mg/L)以19∶1的體積比于調(diào)節(jié)池內(nèi)混合，經(jīng)水解酸化池分解后進(jìn)入曝氣生物濾池進(jìn)行反硝化脫氮，控制曝氣生物濾池DO在2.5～3.0 mg/L，并對進(jìn)出水的COD、TN指標(biāo)進(jìn)行測定。實(shí)驗(yàn)中通過流量計(jì)控制流量，每日進(jìn)水200 L，水力停留時間6 h，控制回流比為100%(體積分?jǐn)?shù))，氣水比為3∶1(體積比)。

表1 陶粒填料性質(zhì)參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 濕地植物釋碳能力

以COD釋放量表征釋碳能力。5種濕地植物COD釋放量如圖2所示。由圖2可見，在6 d的時間內(nèi)，5種濕地植物浸出液中均有COD釋放，釋碳能力為風(fēng)車草>再力花>蘆荻>香根草>美人蕉。風(fēng)車草、再力花的COD釋放量較高，分別達(dá)到(129.2±6.2)、(124.4±9.6) mg/(g·L)，香根草、美人蕉的COD釋放量最低，分別為(59.1±8.0)、(53.8±7.9) mg/(g·L)。COD釋放量的差異是由每種濕地植物的莖稈纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素的組成和含量不同導(dǎo)致，有機(jī)質(zhì)的釋放速率也會影響COD釋放量[3]777。邵留等[10]篩選農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯、稻草和稻殼作為反硝化固體碳源，3種農(nóng)業(yè)廢棄物的總碳釋放質(zhì)量濃度為150～300 mg/L。本研究選取的5種濕地植物釋碳能力基本能夠滿足反硝化碳源需求。

圖1 反硝化脫氮中試實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Pilot experiment device of denitrification

圖2 5種濕地植物COD釋放量Fig.2 The COD release ability of five kinds wetland plants

2.2 濕地植物TN、TP釋放結(jié)果

在利用濕地處理城鎮(zhèn)生活污水的過程中，濕地植物通過根系吸收氮、磷等營養(yǎng)元素，具有很好的脫氮除磷能力[11-12]。在研究濕地植物釋碳能力的同時，對其TN、TP的釋放量進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖3所示。

圖3 5種濕地植物TN、TP釋放量Fig.3 The TN and TP release ability of five kinds wetland plants

由圖3可見，5種濕地植物浸出液中均有TN、TP檢出，其中蘆荻TN釋放量最高，達(dá)(3.3±0.6) mg/(g·L)，再力花的TN釋放量最低，僅為(0.9±0.2) mg/(g·L)；5種濕地植物TP的釋放量基本相當(dāng)，維持在0.1 mg/(g·L)以下?？傮w看來，5種濕地植物TN、TP的釋放量較低，對出水水質(zhì)影響較小，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中能夠通過稀釋或者反硝化作用降低或者去除[13]。

2.3 靜態(tài)反硝化脫氮實(shí)驗(yàn)結(jié)果

靜態(tài)反硝化脫氮實(shí)驗(yàn)中，反硝化出水中硝態(tài)氮質(zhì)量濃度見圖4。

由圖4可見，在微生物反硝化作用下，溶液中硝態(tài)氮均有一定程度的去除。其中，風(fēng)車草和再力花脫氮效果最好，反硝化出水中硝態(tài)氮質(zhì)量濃度均降低至3 mg/L左右，硝態(tài)氮去除率均達(dá)88%左右；香根草脫氮效果較差，反硝化處理后硝態(tài)氮質(zhì)量濃度降至8 mg/L左右，硝態(tài)氮去除率僅為67%。

圖4 反硝化出水中硝態(tài)氮質(zhì)量濃度Fig.4 The nitrate concentration of the effluent of denitrification

同時，測定反硝化出水中COD質(zhì)量濃度，結(jié)果見圖5。

圖5 反硝化出水中COD質(zhì)量濃度Fig.5 The COD concentration of the effluent of denitrification

由圖5可見，5種濕地植物反硝化進(jìn)水中COD均值在268.8～646.0 mg/L，反硝化出水中COD均值在97.1～129.2 mg/L，COD均得到很大程度地降低。5種濕地植物反硝化出水的COD去除率有所不同，以風(fēng)車草和再力花作為外加碳源時，反硝化出水中COD質(zhì)量濃度為100 mg/L左右，COD去除率最高，均達(dá)84%左右；以香根草和美人蕉作為外加碳源時，反硝化出水中COD去除率較低，分別為63%、59%，與硝態(tài)氮去除率較低相一致。不同濕地植物的COD去除率不同，這可能與各種濕地植物浸出液中糖類、醇類以及小分子有機(jī)物等在釋放量上存在差異[14-15]，被微生物利用時的效率也有所不同有關(guān)[16]。在反硝化過程中，減少的COD一部分用于微生物自身生長，一部分用于微生物反硝化碳源消耗。

以TN去除負(fù)荷表征濕地植物脫氮能力大小[17]，計(jì)算方法見式(1)。

(1)

式中：N為TN去除負(fù)荷，mg/(g·L)；c0為TN初始質(zhì)量濃度，mg/L；ce為出水中TN質(zhì)量濃度，mg/L；m為濕地植物投加量，g。

以COD消耗量與TN去除量的比值表征濕地植物供碳能力，比值越大表示浸出液中碳源越容易被微生物所利用。5種濕地植物供碳能力和TN去除負(fù)荷如表2所示。可見，風(fēng)車草作為外加碳源時，其浸出液供碳能力和TN去除負(fù)荷高于其他4種濕地植物，這與圖4、圖5中較好的硝態(tài)氮和COD去除效果一致。

表2 5種濕地植物浸出液供碳能力及其TN去除負(fù)荷

傅利劍等[18]研究表明，反硝化過程中，碳源種類對硝酸還原酶沒有影響，但是對氧化亞氮還原酶有影響。OVEZ[19]也研究了松樹、白楊、蘆竹、甘草等常見的天然植物枝條或莖桿作為反硝化碳源的脫氮效果。結(jié)果表明，以蘆竹和甘草兩種物質(zhì)為碳源時脫氮效果較好，其他植物作為碳源時脫氮效果均不明顯。本研究中5種濕地植物均能作為反硝化碳源使用，但脫氮效果差異明顯，與文獻(xiàn)[19]的研究結(jié)論相似。

2.4 反硝化脫氮中試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在濕地植物靜態(tài)碳源釋放實(shí)驗(yàn)與靜態(tài)反硝化脫氮實(shí)驗(yàn)中，再力花和風(fēng)車草均表現(xiàn)出良好的碳源釋放及脫氮效果，綜合考慮風(fēng)車草取材方便，數(shù)量較多，本研究選取風(fēng)車草作為反硝化脫氮中試實(shí)驗(yàn)碳源材料，探究其脫氮效果。反硝化脫氮中試實(shí)驗(yàn)出水COD質(zhì)量濃度變化見圖6，TN質(zhì)量濃度變化見圖7。

由圖6可見，生活污水的COD質(zhì)量濃度較低，為(12.2±0.7) mg/L，添加高濃度風(fēng)車草莖稈浸出液后，進(jìn)水COD質(zhì)量濃度提高到130～160 mg/L。反應(yīng)前4天，出水COD質(zhì)量濃度較高，在70～100 mg/L，COD去除率總體低于50%；隨著反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，出水COD質(zhì)量濃度逐步減少，并穩(wěn)定在35 mg/L左右，COD去除率維持在75%左右。這是因?yàn)榉磻?yīng)前期水解酸化池內(nèi)微生物量較少，污泥沉降比(SV)<10%，而進(jìn)水COD相當(dāng)充足，微生物無法完全利用，導(dǎo)致出水COD濃度較高；隨著微生物的數(shù)量不斷增加，水解酸化池內(nèi)SV達(dá)到23%左右，池內(nèi)填料上有明顯黃褐色生物膜形成，進(jìn)水中的COD被微生物充分利用，出水COD逐漸下降并達(dá)到平衡。

圖6 反硝化脫氮中試出水COD質(zhì)量濃度變化Fig.6 The change of COD concentration in the effluent from pilot test of denitrification

圖7 反硝化脫氮中試出水TN質(zhì)量濃度變化Fig.7 The change of TN concentration in the effluent from pilot test of denitrification

由圖7可見，進(jìn)水TN質(zhì)量濃度總體在13～18 mg/L，出水TN的變化趨勢與COD變化趨勢相同。在反應(yīng)前2天由于微生物量較少，TN去除率不足30%，隨著后期微生物量的不斷增加，出水TN逐漸降低，TN去除率趨于穩(wěn)定，最后出水TN質(zhì)量濃度為4.3mg/L，TN去除率達(dá)到73%。

TN去除量與有機(jī)物消耗量之比稱為該有機(jī)物的脫氮容量[20]。經(jīng)計(jì)算，風(fēng)車草的脫氮容量為0.05，低于甲醇的脫氮容量0.21。但植物碳源與甲醇等小分子有機(jī)物相比具有廉價易得等優(yōu)勢，且出水COD和TN濃度均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)(COD≤50 mg/L,TN≤15 mg/L)，因此可以考慮將風(fēng)車草作為反硝化植物碳源使用。

3 結(jié) 論

篩選風(fēng)車草、香根草、再力花、蘆荻、美人蕉5種濕地植物作為反硝化碳源。結(jié)果表明，5種濕地植物釋碳能力為風(fēng)車草>再力花>蘆荻>香根草>美人蕉，風(fēng)車草COD釋放量最高，為(129.2±6.2) mg/(g·L)，美人蕉COD釋放量最低，為(53.8±7.9) mg/(g·L)；5種濕地植物在靜態(tài)碳源釋放過程中TN、TP釋放量均較低，對出水水質(zhì)影響較小。

靜態(tài)反硝化脫氮實(shí)驗(yàn)中，風(fēng)車草和再力花脫氮效果最好，反硝化出水中硝態(tài)氮質(zhì)量濃度降低至3 mg/L左右，硝態(tài)氮去除率均達(dá)88%左右，出水COD在100 mg/L左右，COD去除率均達(dá)到84%左右。在低C/N生活污水反硝化脫氮中試實(shí)驗(yàn)中，以風(fēng)車草作為反硝化碳源材料，在10 d的反硝化過程中，出水COD穩(wěn)定在35 mg/L左右，出水TN在4.3 mg/L，達(dá)到GB 18918—2002中的一級A標(biāo)準(zhǔn)，因此風(fēng)車草可以作為低C/N比生活污水的反硝化碳源。

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